BOMBA AL NEUTRONE

                                      BOMBA AL NEUTRONE

Un problema con l'utilizzo delle radiazioni ionizzanti come arma tattica (anti-personnel weapon) è che per incapacitare rapidamente il suo obiettivo, la dose di radiazioni somministrata deve essere di molte volte il livello che si considera invaribilmente letale nell'arco di poche settimane. Una dose di radiazioni pari a 6 Gy viene normalmente considerata letale. Ucciderà almeno la metà di quelli esposti ad essa, ma non si vedrà alcun effetto notevole per alcune ore, né gli impedirà di combattere in questo lasso. Le bombe al neutrone venivano proposte per irradiare gli equipaggi dei tank con una dose di circa 80 Gy, in modo da produrre una loro immediata e permanente incapacità. Una testata ER da 1 chilotone può produrre questo livello di Gy, dentro un tank T-72 alla distanza di 690 m, in confronto ai 360 m di una bomba a fissione nucleare "pura". Per causare una dose di 6 Gy, le distanze dallo scoppio sono rispettivamente 1100 m e 700 m, e per i soldati non protetti dentro i tank le esposizioni pari a 6 Gy avvengono a 1350 m e 900 m. Il raggio letale causato dalla sola radiazione, prodotto da armi tattiche al neutrone, eccede il raggio letale dello scoppio e del calore anche per le truppe non protette.

Questo intenso lampo di neutroni ad alta energia è il principale meccanismo distruttivo che viene sfruttato in questa bomba. Il termine "radiazione aumentata" (enhanced radiation) si riferisce soltanto al lampo iniziale di radiazione ionizzante rilasciato al momento delladetonazione, non ad un qualsiasi incremento dei residui radioattivi né al fallout.

Nella versione americana della bomba al neutrone, dopo l'esplosione ad altezze inferiori ai 2 km, gli effetti termici e meccanici dell'ordigno si sviluppano fino ad un raggio 0,6 km, mentre le radiazioni hanno effetto immediato entro un raggio di 1,3 km. I neutroni veloci generati, interagiscono poco con l'atmosfera, ma per esempio, quando colpiscono le strutture in acciaio della torretta di un carro armato interagiscono con i nuclei atomici del ferro della corazza (per l'alta densità di nuclei di ferro presenti, che contengono anche molti neutroni e protoni) e così generano raggi gamma con grande capacità di penetrazione della corazza e letalità per gli esseri umani al suo interno.

Al suolo non si produce alcuna nube incandescente di fuoco, né le devastanti ondate di vento, e non esiste alcun fallout radioattivo, perché soltanto gli strati profondi del suolo assorbono i neutroni, rilasciando subito l'energia ricevuta dai neutroni come raggi gamma. Questi strati non vengono sollevati e quindi non si producono nuvole di polvere radioattiva.

Queste caratteristiche fanno della bomba N un'arma ad impiego tattico, specialmente adatta a colpire esseri viventi dentro strutture metalliche e/o interrate. Come ad esempio per arrestare un'avanzata massiccia di mezzi terrestri (carri armati) o per colpire personale asserragliato in ricoveri sotterranei o in massicci edifici cittadini in cemento armato.

Bisogna tenere presente che fenomeni di emissione di neutroni avvengono anche nelle deflagrazioni di ordigni nucleari e termonucleari: la loro portata è però assai esigua, dato che essa viene superata abbondantemente dagli effetti termici e dall'onda d'urto.

Dettagli costruttivi 

Le bombe al neutrone, note in inglese come enhanced radiation bombs (armi ER), sono armi termonucleari relativamente piccole nelle quali il lampo di neutroni liberi generato dalla reazione di fusione nucleare viene lasciato libero di fuggire dalla struttura della bomba (in quei pochi microsecondi in cui la bomba ancora esiste). I riflettori interni di raggi X ed il contenitore della bomba sono fatti in cromo o nichel in modo che ai neutroni sia consentito "sfuggire". Esattamente l'opposto avviene nella bomba al cobalto, nota anche come "bomba ai sali", oppure "ordigno fine del mondo".

Una bomba al neutrone richiede una quantità considerevole di trizio, che ha una emivita di 12,3 anni, cosa che rende impossibile immagazzinare in efficienza l'arma per periodi più lunghi. Le bombe al neutrone che esistevano nell'arsenale degli USA in passato erano varianti delle bombe nucleari W70 e W79.

Una tecnologia alternativa è quella di incrementare la potenza dell'emissione di raggi X della bomba. Fino alla detonazione viene permesso ad un grande campo di elettroni di riuscire a colpire un bersaglio in tungsteno, sagomato come una piastra metallica che viene "sparata" e compressa da esplosivi contro il nucleo in uranio o plutonio. Si pensa che tra queste armi a "radiazione aumentata" sia compreso anche un dispositivo ad emissione di "pure radiazioni di neutroni" (come l'ipotetica bomba sovietica al mercurio rosso) con capacità di causare danni soltanto ai circuiti elettronici oppure l'uccisione di esseri viventi per irraggiamento.

Tattiche d'impiego delle bombe al neutrone 

L'idea comune della bomba al neutrone, quella di una bomba che ucciderebbe le persone lasciando gli edifici senza danni, è considerevolmente fantastica. Nel raggio convenzionale di combattimento (690 m) infatti, lo scoppio di una bomba al neutrone da 1 chilotoneucciderebbe quasi tutte le entità viventi presenti entro tale area. La bomba al neutrone è una bomba "pulita", che non lascia praticamente radiazioni persistenti, quindi non c'è alcun fallout radioattivo; inoltre è una bomba "gentile", dato che lascia (per lo meno gli edifici più distanti di 100 metri dal punto principale d'esplosione) tutti gli edifici intatti, uccidendo ogni essere vivente. È una bomba che colpisce le parti principali di ogni essere vivente, gli acidi nucleici, e gli atomi, liberando una grandissima quantità di neutroni.

Le bombe al neutrone potrebbero essere utilizzate come armi anti-missile ICBM strategico, oppure come armi tattiche per l'utilizzo contro colonne di veicoli corazzati e blindati.

Come arma anti-missile, le bombe ER vennero sviluppate per proteggere i silos missilistici degli Stati Uniti, dalle incombenti testate nuclearidell'Unione Sovietica (di potenza 1-2 megatoni, capaci di distruggere ad 1 km di distanza un silos corazzato sotterraneo in cemento armato con anima in acciaio), tramite il danneggiamento delle componenti elettroniche di guida e di detonazione, senza far scoppiare ne distruggere la testata. Questo grazie ad un intenso flusso neutronico (bombe al neutrone montate in missili-antimissile iper-veloci come lo Sprint ABM).

Le bombe al neutrone tattiche sono principalmente intese come armi destinate ad uccidere soldati protetti nei loro mezzi corazzati. I veicoli corazzati del tipo AFV sono estremamente resistenti al calore ed all'esplosione causati dalla detonazione di armi nucleari al suolo, questo determina che il raggio efficace di un'arma nucleare contro i tank sia determinato dal raggio entro il quale la radiazione ionizzante è letale (ma la radiazione gamma ricevuta dall'equipaggio viene ridotta del 50% per ogni centimetro di spessore di piombo). Emettendo enormi quantità di radiazione immediatamente letale, e del tipo più penetrante, le testate ER massimizzano il raggio letale di ogni determinato tipo di testata nucleare che possa colpire bersagli corazzati.

Il flusso di neutroni può indurre quantità significative di radioattività secondaria di breve durata nell'ambiente, nella regione ad alto flusso vicina al punto di scoppio. Le leghe utilizzate nelle corazzature in acciaio possono produrre radioattività che resta pericolosa per 24-48 ore. Se un carro armato esposto a una bomba al neutrone da 1 chilotone a 690 m (il raggio di efficacia per l'immediata messa fuori combattimento dell'equipaggio) viene immediatamente occupato da un nuovo equipaggio, questo riceverà una dose letale di radiazioni nel giro di 24 ore.

Un importante svantaggio dell'arma è che non tutte le truppe prese di mira moriranno o verranno messe fuori combattimento immediatamente. Dopo un breve attacco di nausea, molti dei colpiti con 5-50 Sv di radiazione sperimenteranno un temporaneo recupero che può durare da giorni a settimane. È stato suggerito che queste truppe, sapendo di dover comunque morire presto, potrebbero combattere fanaticamente, senza l'usuale riguardo per la propria integrità.

Alcune autorità dicono che a causa della rapida attenuazione dell'energia dei neutroni da parte dell'atmosfera (esse sostengono che si riduca di un fattore 10 ogni 500 metri a causa dell'assorbimento da parte dell'ambiente, oltre agli effetti della dispersione tridimensionale) le armi a neutroni sono efficaci solo su breve distanza, e quindi sono pratiche solo con rese relativamente basse. Queste testate ER si dice siano progettate per minimizzare la quantità di energia da fissione e gli effetti dello scoppio prodotto, rispetto alla resa dei neutroni. La ragione principale sarebbe quella di poterle impiegare vicino a forze amiche.^{[senza fonte]}

Esiste anche un'altra visione della bomba al neutrone e del suo impiego tattico. Il suo inventore, Samuel Cohen, scrisse un libro nel quale dichiarava che il raggio d'azione effettivo di una bomba al neutrone (quasi pura) superava i 10 km di altitudine. Cohen dichiarò esplicitamente che armi a "radiazioni potenziate" dispiegate in Germania durante la Guerra Fredda erano un compromesso politico, progettate per avere uno scoppio considerevole (sotto forma di luce, incandescenza, e sovrapressione d'aria), con effetti delle radiazioni deliberatamente ridotti per eliminare qualsiasi possibilità di lasciare strutture intatte. Egli prevedeva anche un rilascio di radiazioni pari a 1 kGy "a terra" da una bomba al neutrone pura esplosa a 10 km di altezza.

Lo spettro di assorbimento dei neutroni da parte dell'aria è dibattuto, e può dipendere in parte dall'assorbimento da parte dell'idrogeno del vapore acqueo. Potrebbe quindi variare esponenzialmente con l'umidità, rendendo le bombe al neutrone da alta altitudine più letali nei climi desertici che in quelli umidi. Questo effetto varia anche con l'altitudine.

Secondo Cohen, una tattica possibile di utilizzo della "vera" bomba al neutrone è quindi quella di lanciarla coma arma difensiva contro attacchi corazzati. I civili si riparano in rifugi antiatomici (con rivestimento in piombo e situati molti metri sotto terra) e la bomba viene fatta esplodere 10 km sopra l'attacco corazzato. Si dice che la corazzatura non sia in grado di schermare gli equipaggi di carri armati ed aerei. In un tale evento, alberi e piante di una città verrebbero uccisi dalle radiazioni, ma gli edifici rimarrebbero intatti per il riutilizzo da parte dei civili (che comunque dovrebbero aspettare diversi giorni perché decadano certi isotopi a vita breve). Tali bombe al neutrone sarebbero potenti armi anti nave, capaci di uccidere i marinai di un'intera squadra navale. Un importante sostenitore della ricerca di Cohen fu la U.S. Navy.

La bomba al neutrone nella cultura popolare 

Arte e letteratura 

• Nel romanzo "Messia di Dune", pubblicato nel 1969, viene usata per un tentativo di omicidio un'arma atomica con produzione controllata di radiazioni chiamata stone burner. Questo romanzo di fantascienza era ambientato più di 22.000 anni nel futuro.
• Nel libro di Kurt Vonnegut "Deadeye Dick" , del 1982, La cittadina di Midland City, Ohio, si spopola a causa dell'esplosione di una bomba di neutroni sull'autostrada. Tutte le strutture rimangono intatte, i cittadini sono seppelliti sotto un parcheggio e l'area viene recintata. Grazie al mancato danneggiamento delle proprietà, si discute l'idea di riutilizzare la città recintata come campo per profughi Haitiani.
• Nel romanzo di Richard Ryan "Funnelweb", del 1997, il governo australiano concorda con il governo statunitense la detonazione di una bomba al neutrone sulla città di Sydney, per liberarla da un'infestazione di ragni mutanti giganti, ma l'esplosione non ha effetto sui ragni che si trovano nel sottosuolo, consentendo a queste specie più recenti e più forti di prendere il sopravvento.
• Nel 1979 l'artista Chris Burden creò un'installazione artistica dal nome "La ragione per la bomba al neutrone", composta da 50.000 monetine su ciascuna delle quali era incollato un fiammifero, disposte in fitte strisce sul pavimento della galleria. Si può dire che rappresentasse i 50.000 carri armati in dotazione a quei tempi all'Unione Sovietica.
• Un popolare libro sullo sviluppo del punk rock degli anni 70 in California è intitolato "Abbiamo la bomba al neutrone: la storia mai raccontata del punk di Los Angeles". Si tratta dello stesso titolo di una canzone di un gruppo punk rock, i Weirdos.

Film e televisione 

Il personaggio "J.Frank Parnell" del film del 1984 "Repo Man" cita la bomba al neutrone per giustificare lobotomie volontarie: "Un mio amico ne subì una. Progettista della bomba al neutrone. Mai sentito parlare della bomba al neutrone? Distrugge la gente - lasciando in piedi gli edifici. Sta in una valigia. È così piccola che nessuno sa che è lì, fino a quando - BOOM. Gli occhi fondono, la pelle esplode, tutti morti. È così immorale, lavorarci sopra, che ti può far diventare matto. Questo è quello che accadde a un mio amico. Così subì una lobotomia. Adesso sta di nuovo bene.". La versione in DVD contiene un filmato in cui Alex Cox intervista il fisico nucleare Samuel Cohen, inventore della testata W70, e poi guardano insieme "Repo Man". Cohen descrive il film come uno dei suoi preferiti.

• Nel film "Resident Evil: Apocalypse", la Umbrella usa un missile a neutroni per disinfestare Raccoon City. Nella sequenza, l'esplosione infrange i vetri del municipio e si espande con una luce bianca accecante.
• Nell'episodio "La paura fa novanta VIII" dei Simpsons, la Francia usa una bomba a neutroni da 6 megatoni per spazzare via la popolazione di Springfield, mentre gli edifici rimangono perfettamente in piedi e funzionali. Si salvano solo Homer e la sua famiglia, il primo perché casualmente all'interno di un rifugio antinucleare, gli altri perché protetti dalle radiazioni dalla tinteggiatura in rosa della loro casa. Alcuni cittadini, tra cui Wiggum, Flanders, Boe e il Dr.Hibbert, subiscono delle mutazioni che li fanno sembrare i personaggi di Occhi bianchi sul pianeta Terra.
• Nel film del 1987 "Robocop" un servizio televisivo annuncia che la Francia ha realizzato una bomba a neutroni da 3 megatoni e che il partito della razza bianca nella città "sotto assedio" di Pretoria è pronto ad utilizzare come ultima difesa.
• Nella puntata "I Dalek" della serie "Doctor Who" (1963-64), le bombe al neutrone venivano ampiamente usate nella guerra fra i Dalek ed i Thal, molte centinaia d'anni prima della storia.
• Nell'episodio "Conto alla rovescia" della serie Blake's 7 viene usata dalla Federazione un'arma dagli effetti molto simili a quelli della bomba al neutrone, per rafforzare il proprio potere su un pianeta ribelle.
• In un episodio della seconda stagione della serie TV Alias, una delle creazioni di Rambaldi è una bomba a neutroni riutilizzabile dalle dimensioni di una valigia.
• Nel film del 2006 "Distretto B13", una bomba a neutroni dovrebbe disinfestare B13 dalla "feccia" che vi vive.
• Graham Chapman dei Monty Python interpretava un personaggio conosciuto come "Mr. Neutron". Come raccontava la voce fuori campo, quando Mr.Neutron era in città si era sempre sotto minaccia nucleare: "Mister Neutron! L'uomo il cui potere incredibile ha reso il più temuto di tutti i tempi... aspetta il suo momento per distruggere completamente questo mondo!" Prima messa in onda: 28 novembre 1974, stagione 4, episodio 5.
• Le bombe al neutrone sono nominate in vari episodi della serie televisiva di fantascienza "Andromeda", di Gene Roddenberry. Per esempio una principessa Nietzchiana progetta di sterminare una capitale usando una piccola bomba a neutroni tascabile.
• Nella serie fantascientifica Deathlands, i personaggi incontrano spesso resti di città rimaste più o meno intatte, e la sopravvivenza delle quali viene attribuita all'utilizzo di bombe al neutrone che hanno ucciso la popolazione risparmiando gli edifici.
• Nella serie post-apocalittica "I guerrieri del giorno del giudizio" ("Doomsday Warrior"), il KGB usa principalmente bombe a neutroni per distruggere gli avamposti americani che scopre.
• Lavorando in un bunker antiatomico 200 metri sotto il livello del suolo, Olga e Parker, della serie TV "Seven Days", sono risparmiati dagli effetti dell'esplosione di una bomba al neutrone potenziata che vaporizza tutta la vita sul pianeta.
• Nel primo episodio della serie classica di Star Trek, intitolato Oltre la galassia, il capitano James T. Kirk ordina di far bombardare il pianeta Delta Vega con radiazioni neutroniche se non dovesse tornare nei tempi prestabiliti.
• Nel film del 1990 "58 minuti per morire - Die Harder" in un'accesa conversazione il personaggio principale John McClane dice testualmente: "...e la prima lezione è stata l'uccisione di poliziotti? Quale sarà la seconda? una bomba al neutrone? " Questo poco prima che un gruppo di terroristi faccia schiantare al suolo un boeing con oltre 200 passeggeri a bordo.
• Nel drama giapponese "Bloody Monday" dei terroristi cercano di usare una bomba al neutrone nella città di Tokyo.

Musica 

• La canzone "Neutron" di Donovan è interamente "dedicata" all'ordigno nucleare, con un testo che recita "Neutron, you're a real estate bomb, the property stays but the people are gone."
• La canzone "Wishlist" dei Pearl Jam comincia con la strofa "I wish I was a neutron bomb, for once I could go off."
• La canzone dei R.E.M. "The Wake-Up Bomb" presenta le liriche "I had to write the great American novel, I had a neutron bomb / I had to teach the world to sing by the age of 21."
• Il suddetto ordigno è citato anche nella canzone "Atomico Pathos", contenuta nell'album del 1981 "Artide Antartide" di Renato Zero.
• La banda di rock anarchico the Zounds si riferisce al potere distruttivo della bomba al neutrone nella loro canzone "Target/Mr. Disney/War" durante il segmento chiamato Mr. Disney. "Oh Mr. Disney, where have you gone? Mickey's being threatened by a neutron bomb."

Varie 

• Jack Welch, che fu in passato Amministratore Delegato della General Electric, era soprannominato Neutron Jack per il suo stile dirigenziale, che con licenziamenti eliminava dall'azienda gli impiegati, lasciando intatte le strutture.
• Durante una lezione nel 1977 presso la Boulder University, fu richiesta a Hunter S. Thompson un'opinione sulla bomba a neutroni. Egli rispose definendola una rappresentazione ideale del capitalismo dell'epoca—una bomba che distrugge i tessuti ma non le proprietà.
• Un fumetto dell'umorista satirico italiano Angese, dei primi anni 'Ottanta, narra l'attacco di una città con una bomba al neutrone, cui sopravvive solo il politico italiano Pietro Longo, noto per il suo aspetto, il quale si interroga se possa essere "una cosa".

La bomba al neutrone (detta anche bomba N) è un'arma nucleare che affida il suo potenziale distruttivo non ad effetti termici o meccanici, come la bomba atomica o la bomba all'idrogeno bensì ad un enorme flusso di neutroni.

La creazione della bomba al neutrone viene in genere attribuita a Samuel Cohen del Lawrence Livermore National Laboratory, che sviluppò il concetto nel 1958. Anche se all'inizio del suo sviluppo vi si oppose il Presidente John Fitzgerald Kennedy, i primi test di quest'arma vennero autorizzati ed eseguiti nel 1962 in un poligono del Nevada. Il suo sviluppo venne in seguito cancellato dal Presidente Jimmy Carter nel 1978, ma nuovi fondi per questa ricerca vennero stanziati dal presidente Ronald Reagan nel 1981.

Storia 

Si pensa che gran parte dell'arsenale nucleare degli USA sia stato smantellato dall'amministrazione del presidente Bush padre^[2]. Le armi a "radiazione aumentata" vennero prodotte anche dalla Francia nei primi anni ottanta, anche se si pensa che abbia poi distrutto.

o queste sue bombe.

Il "Cox Report" del 1999 indica che la Cina è in grado di produrre la bomba al neutrone^[3], anche se non si conosce esattamente se qualche Paese le abbia dispiegate abitualmente nel proprio arsenale o se le abbia in effetti impiegate.

Caratteristiche tecniche 

Nella bomba al neutrone l'emissione del fascio di particelle è innescato dall'esplosione di un ordigno termonucleare di potenza relativamente limitata, che impiega la maggior parte dell'energia liberata per rilasciare i neutroni, i quali, essendo privi di carica elettrica, riescono ad attraversare la materia con grande facilità, non causandole danni se inanimata (ad eccezione dei vulnerabili circuiti integrati deiprocessori), ma causando mutazioni e rotture del DNA, potenzialmente o invariabilmente letali per la vita organica.

LA BOMBA ATOMICA

LA BOMBA ATOMICA

Il fungo atomico, causato da "Fat Man" su Nagasaki, raggiunse i 18 km di altezza, 9 agosto 1945

La bomba atomica o bomba A è il nome comune della bomba a fissione nucleare incontrollata. È un ordigno esplosivo, appartenente al gruppo delle armi nucleari, la cui energia è prodotta dalla reazione a catena incontrollata di fissione nucleare, cioè la divisione, spontanea o indotta, del nucleo atomico di un elementopesante in due o più frammenti.

La reazione a catena avviene, appunto, in forma "incontrollata" (rapidissimamente divergente) in una massa di uranio 235 o di plutonio 239 altamente concentrati, nell'istante in cui la massa viene resa "super-critica" liberando così altissime quantità di energia in brevissimo tempo che danno dunque vita all'esplosione stessa e ai suoi devastanti effetti. Si differenzia dunque dai processi nucleari a catena che avvengono in un comune reattore nucleare per la produzione di energia elettrica dove invece la reazione nucleare viene mantenuta, per ovvi motivi tecnici e di sicurezza, al di sotto di una soglia di criticità in uno stato stabile ovvero controllato senza alcuna possibilità di esplosione nucleare.

Descrizione 

Nell'uso comune talvolta il nome "bomba atomica" è impropriamente impiegato per altre armi nucleari di potenza simile o superiore, includendo così anche le bombe che utilizzano l'altro tipo di reazione nucleare, la fusione termonucleare dei nuclei di elementi leggeri.

Il termine "bomba atomica" nella classificazione originaria di "bomba A" indicava propriamente solo le bombe a fissione. Quelle che invece utilizzano la fusione termonucleare sono chiamate bombe H o bombe all'idrogeno, o anche raggruppate nella definizione di "armi termonucleari".

La bomba atomica è peraltro componente fondamentale della stessa bomba H in quanto permette di raggiungere gli altissimi valori di pressione e temperatura indispensabili per innescare la reazione di fusione termonucleare.

Principio di funzionamento 

Il principio della bomba atomica è la reazione a catena di fissione nucleare, il fenomeno fisico per cui il nucleo atomico di certi elementi con massa atomica superiore a 230 si può dividere (fissione) in due o più nuclei di elementi più leggeri quando viene colpito da un neutrone libero. La fissione si può innescare in forma massiccia, cioè come reazione a catena, se i nuclei fissili sono tanto numerosi e vicini fra loro da rendere probabile l'ulteriore collisione dei neutroni liberati con nuovi nuclei fissili. Gli isotopi che è possibile utilizzare nella pratica sono l'uranio 235 e il plutonio 239. Questi metalli pesanti sono i materiali fissili per eccellenza.

Quando un neutrone libero colpisce un nucleo di U²³⁵ o di Pu²³⁹, viene catturato dal nucleo per un tempo brevissimo, rendendo il nucleo composto instabile: questo si spezza entro 10⁻¹² secondi in due o più nuclei di elementi più leggeri, liberando contestualmente due o tre neutroni e circa l'uno per cento della sua massa viene convertita in energia sotto forma principalmente di fotoni ed energia cinetica dei nuclei leggeri residui e dei neutroni liberi, per un totale di circa 200 MeV.

I neutroni liberati dal processo possono urtare a loro volta altri nuclei fissili presenti nel sistema, che quindi si fissionano liberando ulteriori neutroni e propagando la reazione a catena in tutta la massa di materiale. Come già detto però la reazione a catena avviene se e solo se la probabilità di cattura dei neutroni da parte dei nuclei fissili è sufficientemente alta, cioè in parole povere se questi nuclei sono numerosi, molto vicini fra loro e le perdite per fuga dal sistema sono opportunamente ridotte. Questo si ottiene, tipicamente, mettendo insieme in una geometria a basso rapporto superficie/volume una certa quantità di uranio (o plutonio) metallico "arricchito", in cui cioè l'isotopo fissile sia presente in concentrazione più alta di quella presente in natura, ottenendo la cosiddetta "massa critica". Il valore esatto di questa massa dipende dall'elemento scelto, dal grado del suo arricchimento e dalla forma geometrica scelta (nonché dal tipo di materiale che circonda la massa stessa): orientativamente è di alcuni chilogrammi. Nella testata di una bomba atomica, il materiale fissile è tenuto separato in più masse sub-critiche, oppure foggiato in forme geometriche non favorevoli al bilancio neutronico per le elevate fughe (gusci sferici cavi). La bomba viene fatta detonare concentrando insieme il materiale fissile per mezzo di esplosivi convenzionali, che portano istantaneamente a contatto le varie masse, o fanno collassare il guscio sferico. La testata è eventualmente rivestita di uno schermo di berillio, che riflette parzialmente i neutroni che altrimenti verrebbero persi all'esterno.

Energia e potenza dell'ordigno nucleare sono funzioni dirette della quantità di materiale fissile e della sua percentuale di arricchimento.

Storia 

Il fondamento teorico è il principio di equivalenza massa-energia, espresso dall'equazione E=mc² prevista nella teoria della relatività ristretta diAlbert Einstein. Questa equivalenza generica suggerisce in linea di principio la possibilità di trasformare direttamente la materia in energia o viceversa. Einstein non vide applicazioni pratiche di questa scoperta. Intuì però che il principio di equivalenza massa-energia poteva spiegare il fenomeno della radioattività, ovvero che certi elementi emettono energia spontanea, e una qualche reazione che implicasse l'equivalenza poteva essere la fonte di luminosità che accende le stelle.

Successivamente, si avanzò l'ipotesi che alcune reazioni che implicano questo principio potevano effettivamente avvenire all'interno dei nuclei atomici. Il "decadimento" dei nuclei provoca un rilascio di energia. L'idea che una reazione nucleare si potesse anche produrre artificialmente e in misura massiccia, sotto forma cioè di reazione a catena, fu sviluppata nella seconda metà degli anni trenta in seguito alla scoperta delneutrone. Alcune delle principali ricerche in questo campo furono condotte in Italia da Enrico Fermi.

Un gruppo di scienziati europei rifugiatisi negli Stati Uniti d'America (Enrico Fermi, Leo Szilard, Edward Teller ed Eugene Wigner) si preoccuparono del possibile sviluppo militare del principio. Nel 1939, gli scienziati Fermi e Szilard, in base ai loro studi teorici, persuasero Albert Einstein a scrivere una lettera al presidente Roosevelt per segnalare che c'era la possibilità ipotetica di costruire una bomba utilizzando il principio della fissione ed era probabile che il governo tedesco avesse già disposto delle ricerche in materia. Il governo statunitense cominciò così a interessarsi alle ricerche.

Modello della prima bomba atomica al plutonio (nome in codice "The Gadget") impiegata nel "Trinity test".

Enrico Fermi proseguì poi negli Stati Uniti nuove ricerche sulle proprietà di un isotopo raro dell'uranio, l'uranio 235, fino a ottenere la prima reazione artificiale di fissione a catena autoalimentata: il 2 dicembre 1942, il gruppo diretto da Fermi assemblò a Chicago la prima "pila atomica" o "reattore nucleare a fissione" che raggiunse la condizione di criticità, costituito da una massa di uranio naturale e grafite disposti in maniera eterogenea.

Pochi mesi prima, nel giugno del 1942, in base ai calcoli fatti in una sessione estiva di fisica all'università della California guidata da Robert Oppenheimer, si era giunti alla conclusione che era teoricamente possibile costruire una bomba che sfruttasse la reazione di fissione a catena. La sua realizzazione tecnica richiedeva però enormi finanziamenti.

La prima bomba atomica fu realizzata con un progetto sviluppato segretamente dal governo degli Stati Uniti. Il programma assunse scala industriale nel 1942 (cfr. Progetto Manhattan). Per produrre i materiali fissili, l'uranio 235 e il plutonio, furono costruiti giganteschi impianti con una spesa complessiva di due miliardi di dollari dell'epoca. I materiali (escluso il plutonio prodotto nei reattori dei laboratori di Hanford nello stato del Washington e l'uranio prodotto nei laboratori di Oak Ridge) e i dispositivi tecnici, principalmente il detonatore a implosione, furono prodotti nei laboratori di Los Alamos, un centro creato apposta nel deserto delNuovo Messico. Il progetto era diretto da Robert Oppenheimer e includeva i maggiori fisici del mondo, molti dei quali profughi dall'Europa.

La prima bomba al plutonio (nome in codice "The Gadget") fu fatta esplodere nel "Trinity test" il 16 luglio 1945 nel poligono di Alamogordo, in Nuovo Messico. La prima bomba all'uranio ("Little Boy") fu sganciata sul centro della città di Hiroshima il 6 agosto 1945. La seconda bomba al plutonio, denominata in codice "Fat Man", fu sganciata invece su Nagasaki il 9 agosto 1945. Questi sono stati gli unici casi d'impiego bellico di armi nucleari, nella forma del bombardamento strategico. L'Unione Sovietica recuperò abbastanza rapidamente il ritardo e sperimentò la prima bomba a fissione il 29 agosto 1949, ponendo così fine al monopolio degli Stati Uniti d'America. La Gran Bretagna, la Francia e la Repubblica Popolare Cinese sperimentarono un ordigno a fissione rispettivamente nel 1952, nel 1960 e nel 1964. Le testate nucleari, basate sia sul principio della fissione nucleare che della fusione termonucleare possono essere installate, oltre che su bombe aeree, su missili, proiettili d'artiglieria, mine o siluri.

Nel 1955 vi fu compilato il Manifesto di Russell-Einstein: Russel e Einstein promossero una dichiarazione invitando gli scienziati di tutto il mondo a riunirsi per discutere sui rischi per l'umanità prodotti delle armi nucleari.

La fissione nucleare 

Diagramma della reazione nucleare

La reazione nucleare a catena indotta da neutroni, in una massa di ²³⁵U avviene secondo uno schema di questo tipo:

²³⁵U + n → ²³⁶U "instabile" → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 2/3 n + 211,5 MeV

Si hanno perciò i seguenti "prodotti di fissione":

• Elementi più leggeri. La formula esprime ciò che succede ad un nucleo di uranio (²³⁵U) quando viene colpito da un neutrone (n). L'effetto della cattura da parte del nucleo è la trasformazione di quest'ultimo in un isotopo più pesante (²³⁶U) che però dura solo un tempo brevissimo dopodiché l'elemento instabile si spezza formando due nuovi elementi. Gli elementi indicati nella seconda parte della formula sono il risultato relativamente più frequente della scissione, ma si possono formare anche elementi diversi a seconda del modo del tutto casuale in cui il nucleo si divide. La maggior parte di questi elementi a loro volta sono spesso isotopi instabili, perciò sono radioattivi e soggetti a ulteriore decadimento (detti "frammenti di fissione"). Alcuni di questi risultano estremamente pericolosi per l'ambiente e la salute umana (particolarmente frequenti sono il cesio 137, lostronzio 90 e lo iodio 131) data la facilità con cui tendono ad accumularsi nei tessuti degli esseri viventi.
• Neutroni liberi. Ai nuovi elementi prodotti dalla reazione si aggiungono sempre due o tre neutroni liberi, che a loro volta possono venire catturati da altri nuclei fissili che si trovano all'interno della massa, e perciò li rendono instabili e contribuiscono a proseguire la reazione di fissione.
• Energia. Per ciascun nucleo che si scinde, nel modo indicato dalla formula, si producono circa 211,5 MeV di energia, di cui circa 160 MeV sotto forma di energia cinetica dei frammenti di fissione. Questa rilevante produzione di energia è legato al fatto che la somma delle masse risultanti (frammenti di fissione e neutroni) è leggermente inferiore alla massa iniziale del nucleo e del neutrone che ha generato la fissione: una piccolissima percentuale di questa massa risulta perduta, "trasformata" in energia.

La quantità di energia rilasciata dalle reazioni nucleari è molto più grande di quella delle reazioni chimiche in rapporto alla quantità di materia coinvolta. L'energia di legame all'interno dei nuclei (interazione forte) è molto più intensa di quella che lega tra loro gli elettroni esterni di due atomi. L'energia di legame all'interno dei nuclei è una misura di massa. Nel principio di equivalenza E=mc², poiché il secondo termine dell'uguaglianza è una grandezza enorme (a causa del valore della costante "c", la velocità della luce nel vuoto, pari a 299 792 458 m/s) l'energia "E" risulta enorme in confronto ad una piccola massa "m".

Per confronto, in una molecola d'acqua il legame degli atomi di idrogeno può produrre una energia di circa 16 eV, dieci milioni di volte inferiore a quella liberata dal nucleo di uranio. Un grammo di U 235 che subisce interamente la fissione produce circa 8 x 10¹⁰ joule, ossia quanto la combustione di circa 3 tonnellate di carbone.

Materiale fissile 

L'uranio presente in natura è una miscela del 99,3% circa di isotopo a numero di massa 238 e dello 0,7% circa di isotopo a numero di massa 235; dei due, solo l'ultimo è fissile. Per poterne accumulare una quantità sufficiente occorre quindi "arricchire" l'uranio del proprio isotopo 235. Il nocciolo di una bomba all'uranio deve cioè essere composto di una massa composta in gran parte di uranio 235, ovvero di uranio altamente arricchito.

I materiali fissili utilizzati nelle bombe atomiche sono il plutonio 239 o l'uranio arricchito, che possono essere prodotti solo in paesi altamente industrializzati, essendo richiesta a monte l'esistenza di un ciclo di arricchimento dell'uranio o di reattori nucleari o altri sistemi capaci di produrre plutonio 239 a partire dall'isotopo uranio 238 attraverso la reazione nucleare di fertilizzazione.

Tale "arricchimento" avviene con la separazione dell'isotopo 235 dall'isotopo 238, per ottenere una concentrazione via via maggiore del primo elemento. Il ciclo di arricchimento industriale ha inizio con la conversione dell'uranio naturale in esafluoruro di uranio (UF₆), una sostanza gassosa che permette di sfruttare successivamente la diversa velocità di diffusione che contraddistingue ²³⁵UF₆ da ²³⁸UF₆ per separare i dueisotopi. L'identico processo si può compiere anche con il tetracloruro di uranio (UCl₄). Queste sostanze si possono portare allo stato gassoso a basse temperature, ciò consente di separare i due isotopi meccanicamente. La sostanza viene centrifugata ad altissima velocità, in speciali ultra-centrifughe montate in serie (a "cascata"). Queste concentrano progressivamente l'isotopo 235 separandolo dall'omologo chimico 238, sfruttando la piccolissima differenza di peso specifico tra i due. L'uranio arricchito per le testate atomiche è composto per il 97% circa di U 235.

È possibile separare l'isotopo 235 anche con altre metodologie, su scala minore o con tecnologie molto più sofisticate (come il laser).

Il prodotto di scarto del processo di arricchimento è uranio, in grande quantità, composto quasi totalmente dall'isotopo 238 perciò inutile per la reazione nucleare, con una percentuale di U 235 bassissima. È il cosiddetto uranio impoverito, cioè uranio con una frazione di U 235 inferiore allo 0,2%. È classificato come scoria radioattiva, ma viene usato per costruire proiettili e bombe in sistemi d'arma convenzionali. La tossicità dell'uranio impoverito, di origine chimica e radiologica, è oggetto di una controversia legata al suo uso, ma è stata accertata, come quella degli altri metalli pesanti come per esempio il piombo, nel caso esso venga inalato o ingerito.

All'interno di masse inferiori a quella critica, purché concentrate in piccoli volumi, nell'uranio e nel plutonio le fissioni sono più frequenti di quelle che si hanno nei minerali naturali, dove gli isotopi fissili sono meno concentrati. Dopo un certo periodo di tempo, a causa di questa perdita di isotopi fissili, il materiale fissile non è più utilizzabile per la presenza di un'elevata quantità di frammenti di fissione.

Caratteristiche costruttive 

Una bomba atomica è formata da un nocciolo metallico di alcune decine di chilogrammi di uranio arricchito oltre il 93% (uranio "weapon-grade"), oppure di qualche chilogrammo di plutonio contenente almeno il 93% dell'isotopo 239 (plutonio "weapon-grade"). È possibile anche costruire una bomba utilizzando pochissimi chilogrammi di uranio, seguendo i principi costruttivi messi a punto per le bombe al plutonio; è altresì possibile, oggi, costruire bombe con mini-nocciolo che impiegano poche centinaia di grammi di plutonio. La massa del nocciolo è sempre, comunque, sub-critica (se così non fosse la bomba esploderebbe anzi tempo).

Il nocciolo è inserito in un contenitore di metallo pesante, come l'uranio 238, a formare uno spesso guscio detto "tamper" ("tampone" o "borraggio") che limita la fuga all'esterno dei neutroni, utili alla reazione nel momento dell'esplosione, e soprattutto ha la funzione di trattenere, mediante l'azione inerziale e la pressione esercitata dalla sua espansione termica, il nocciolo per il tempo necessario alla reazione, circa 1 microsecondo. Il tempo a disposizione per la reazione aumenta moltissimo l'efficienza, cioè la percentuale di materiale che subisce la fissione.

L'esplosione viene innescata con l'uso di esplosivi convenzionali che avvicinano fra loro parti del nocciolo o lo modificano in modo da rendere la massa super-critica. Mediante sistemi di detonatori (che possono essere complessi e di tipo diverso) il nocciolo viene modificato nella forma e concentrazione in modo da portarlo a uno stato super-critico. Vi sono essenzialmente due tecniche alternative, dal punto di vista ingegneristico, per produrre questo effetto. Le due soluzioni sono:

1. il sistema a blocchi separati o detonazione balistica o "a cannone" ("gun-triggered fission bomb"). In questo tipo di progetto il nocciolo di materiale fissile è cioè diviso in due parti, un "proiettile" di massa sub-critica e un "bersaglio", parimenti di massa subcritica. Al momento dell'esplosione, una carica esplosiva spinge il proiettile ad alta velocità in una canna fino al bersaglio, in modo da unirsi a formare un'unica massa super-critica;
2. il sistema a implosione. È molto più efficiente del sistema a blocchi separati ma anche estremamente più complesso da progettare. Si basa sull'esplosione simultanea di molti detonatori posti sulla superficie di una corona di materiale esplosivo che circonda il nocciolo a forma di sfera cava di massa subcritica in modo da produrre un'elevata pressione su quest'ultimo. L'aumento di pressione, comprimendo il materiale fissile ed eliminando la cavità, ne modifica la forma e ne incrementa la densità, in modo da portarlo (coaudivato in questo da un sistema di contenitori intorno al nocciolo che serve a ridurre le fughe di neutroni) a uno stato super-critico.

I due modelli costruttivi contengono entrambi un "iniziatore" della reazione nucleare, cioè una sorgente di neutroni che è un dispositivo costruito di solito in berillio, e contenente un materiale radioattivo come il polonio 209 o 210. Questa sostanza entra in contatto con il materiale fissile e libera neutroni al momento della detonazione. L'iniziatore è posto al centro del nocciolo, e viene attivato dalla pressione esercitata da questo. L'iniziatore da luogo in sequenza a questi effetti:

1. il suo involucro in berillio viene sfondato quando la massa implode, il polonio emette radiazione alfa;
2. la radiazione alfa interagisce con il berillio 9 producendo berillio 8 e neutroni liberi;
3. i neutroni liberati da questo dispositivo sono in quantità enorme e scatenano la fissione in una massa che ora è super-critica.

Il sistema di detonazione a blocchi separati 

L'innesco a blocchi separati è detto bomba con "detonazione a proiettile" o "gun-triggered fission bomb". È la più semplice da costruire, richiede una tecnologia rudimentale. Funziona però bene solo con l'uranio 235. Il plutonio infatti, a causa delle tracce non eliminabili dell'isotopo 240, è più instabile e dunque il dispositivo richiederebbe accorgimenti con cui diventerebbe troppo ingombrante per poi poter essere utilizzato.

Detonazione a proiettile.
1. Esplosivo convenzionale
2. Canna
3. Proiettile di uranio
4. Obiettivo

La bomba atomica sganciata su Hiroshima ("Little Boy") era un ordigno di questo tipo. Il principio è che due masse sub-critiche di uranio vengono proiettate ("sparate") l'una contro l'altra. L'ordigno è costituito da un tubo ad un'estremità del quale c'è un proiettile costituito da un blocco di uranio 235 di forma conica, all'altro capo un blocco sferico di U 235 con massa maggiore, dove è collocato anche il generatore di neutroni (iniziatore). La detonazione avviene quando il proiettile viene lanciato, per mezzo di una carica esplosiva, e colpisce la massa attivando l'iniziatore. I neutroni liberati in grande quantità scatenano la reazione nella massa di uranio che ora ha dimensioni super-critiche.

Questi ordigni hanno un'efficienza molto scarsa. Per costruire una bomba occorre qualche decina di chilogrammi di uranio 235, un isotopo naturale estremamente raro, ma la gran parte di questa massa (il 98,5%) viene sprecata, non dà luogo cioè a nessuna reazione nucleare. L'ordigno "Little Boy" conteneva 64,13 kg di uranio di cui appena l'1,5% subì la fissione nucleare. La scarsa efficienza è dovuta al fatto che manca l'effetto di concentrazione e di contenimento inerziale del nocciolo compiuto dal sistema a implosione. Il contenitore tamper, nel meccanismo a blocchi separati, è meno efficace dovendo contenere una massa troppo grande.

L'assemblaggio di una massa tanto grande è anche piuttosto pericoloso. Inoltre gli ordigni a blocchi separati non possono avere una potenza esplosiva molto più grande di 20 chilotoni perché la quantità di uranio non si può aumentare a piacimento. Per tutte queste ragioni, in linea di massima le armi basate su questo sistema non vengono costruite.

Sono stati costruiti poche decine di ordigni come questo nel primo dopoguerra, principalmente da Gran Bretagna e Unione Sovietica. Queste sono state smantellate negli anni cinquanta. Negli anni settanta il solo Sudafrica costruì cinque bombe come questa, anch'esse poi smantellate.

Il sistema di detonazione a implosione 

Animazione della detonazione a implosione

Questo sistema era utilizzato nella bomba esplosa su Nagasaki ("Fat Man"). Il nocciolo è una sfera cava di pochi chilogrammi di plutonio 239. È posto all'interno di più sfere concentriche di metalli diversi e circondato da un complesso sistema di cariche esplosive e detonatori elettronici. Al centro della sfera cava è collocato l'innesco in polonio-berillio.

Quando l'esplosivo che circonda il nocciolo viene fatto brillare, l'onda d'urto concentrica produce l'implosione perfettamente simmetrica della massa di plutonio. La cavità centrale scompare, il materiale schiacciato dall'onda d'urto viene concentrato di un fattore 2 o più, la massa diventa super-critica, l'iniziatore centrale si attiva. La bomba di Nagasaki aveva un'efficienza intorno al 15%, e conteneva meno di 7 kg di plutonio.

Sistemi diversi e molto più complessi, costruiti sullo stesso principio, possono portare a efficienze maggiori. Sono quelli usati nella costruzione delle moderne bombe a fissione.